Материаловедение

Тема 1: Основные сведения о строении, свойствах и методах испытания металлов и сплавов.

Вопросы темы:

1. Металлы.

2. Сплавы.

3. Основные свойства металлов и сплавов.

1. Металлы.

Металловедение — наука, изучающая зависимость между составом, строением и свойствами металлов и сплавов и закономерности их изменения под воздей­ствием внешних факторов: тепловых, химических, ме­ханических, электромагнитных, радиоактивных.

Основные свойства и классификация металлов.

Металлы в твердом и отчасти в жидком состоянии обладают рядом характерных свойств:

— высокой тепло- и электропроводностью;

— положительным температурным коэффициентом электросопротивления, с повышением температуры электросопротивление чистых металлов возра­стает;

— термоэлектронной эмиссией, т. е. способностью испускать электроны при нагреве;

— хорошей отражательной способностью, металлы непрозрачны и обладают металлическим блеском,

— повышенной способностью к пластической де­формации.

Наличие этих свойств и характеризует так называе­мое металлическое состояние вещества.

Все металлы и металлические сплавы — тела кристал­лические. В узлах кристаллических решеток металлов находятся положительно заряженные ионы, а между ними свободно перемещаются электроны (электронный газ). Характерные свойства металлов объясняются специ­фическими свойствами металлической связи. Металлы делятся на две группы:

— черные: железо, марганец, хром

— цветные — все остальные.

Цветные металлы по разным признакам делятся на подгруппы:

— тяжелые, имеющие плотность больше 5 г/см³ (цинк, медь, олово, свинец, серебро, золото и др.);

— легкие, имеющие плотность до 5 г/см³ (литий, на­трий, магний, калий, алюминий и др.);

— тугоплавкие, температура плавления которых выше, чем у железа (ниобий, молибден, вольфрам и др.);

— легкоплавкие (цезий, галий, калий, натрий, олово, свинец и др.);

— редкие (молибден, вольфрам, ванадий и др.);

— благородные (золото, серебро, платина, палладий и др.) и другие.

Атомно-кристаллическое строение металлов.

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов, существующее в крис­талле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположен­ных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях.

Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием пространственной или кристалли­ческой решетки.

Кристаллическая решетка представляет собой вооб­ражаемую пространственную сетку, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл (твердое кристаллическое тело).

Подавляющее число технически важных металлов образуют одну из следующих решеток: кубическую объемно-центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную (рис. 1).

В кубической объемно-центрированной решетке атомы расположены в узлах ячейки и один атом — в центре объема куба (рис. 1, а). Кубическую объемно-центриро­ванную решетку имеют металлы: α-железо, хром, нио­бий, вольфрам, ванадий и др.

В кубической гранецентрированной решетке атомы рас­положены в углах куба и в центре каждой грани (рис. 1, б). Этот тип решетки имеют металлы: γ-железо, никель, медь, золото и др.

В гексагональной решетке (рис. 1, в) атомы располо­жены в углах и центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы. Эту упаковку атомов имеют металлы: магний, цинк и др.

Некоторые металлы имеют тетрагональную решетку

Рисунок 1. Кристаллические решетки металлов и схемы упаковки атомов.

а - объемно-центрированная кубическая (о.ц.к); б - гранецентрированная кубическая (г.ц.к); в – гексагональная плотноупакованная (г.п.у).

Полиморфные превращения в металлах.

Многие металлы в зависимости от температуры мо­гут существовать в разных кристаллических формах или, как их еще называют, в разных модификациях. В резуль­тате полиморфного превращения атомы кристаллическо­го тела, имеющие решетку одного типа, перестраивают­ся таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа. Полиморфную модификацию, ус­тойчивую при более низкой температуре, для большин­ства металлов принято обозначать буквой α, при более высокой β, затем γит.д.

Переход чистого металла из одной полиморфной мо­дификации в другую протекает при постоянной темпера­туре (критической точке) и сопровождается выделением тепла, если превращение идет при охлаждении, и погло­щением тепла в случае нагрева.

В результате полиморфного превращения образуют­ся новые кристаллические зерна, имеющие другой раз­мер и форму. Поэтому такое превращение называют перекристаллизацией.

Полиморфные превращения происходят в чистых металлах, в сплавах, в химических соединениях.

Полиморфное превращение сопровождается скачко­образным изменением всех свойств металлов и сплавов: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электропроводности, магнитных свойств, механических и химических свойств и т. д.

2. Сплавы.

Основную долю разнообразных металлических мате­риалов, используемых в технике, составляют сплавы. Чистые металлы в технике не применяют, потому что они характеризуются низким пределом прочности. Пу­тем сплавления или спекания нескольких металлов или металлов с неметаллическими элементами получают сплавы, которые обладают высокой прочностью, плас­тичностью, хорошо обрабатываются резанием, сварива­ются и т. д. При этом улучшаются эксплуатационные и технологические свойства металлического материала.

Сплавом называется однородная система, состоящая из двух и более химических элементов. Вещества, обра­зующие систему, называют компонентами.

Компонентами сплава могут быть металлы (железо, медь, алюминий, никель и т. д.) и неметаллические эле­менты (углерод). Компонентом могут быть и химиче­ские соединения. Количество компонентов, составляю­щих систему (сплав), может быть различным. Чистый металл — это однокомпонентная система; сплав двух металлов — двухкомпонентная, и т. д.

Выбор базового компонента сплава определяется тех­ническим заданием на его свойства. В зависимости от базового компонента все сплавы делятся на:

— черные, основу которых составляет железо (стали, чугуны) — и

— цветные, основу которых составляет любой ме­талл, кроме железа (алюминиевые, медные, нике­левые, титановые и др.).

Выбор других компонентов сплава производится на основе оценки взаимодействия с базовым компонентом и между собой. Их взаимодействие учитывается и в жид­ком, и в твердом состояниях, так как сплавление про­водится при температурах, превышающих температуру плавления базового компонента, а затем сплав, охлаж­даясь, кристаллизуется и остывает до температуры ок­ружающей среды.

Фазы металлических сплавов.

В сплавах компоненты могут вступать во взаимодей­ствие с образованием различных фаз. Различают следу­ющие фазы металлических сплавов:

— жидкие растворы;

— твердые растворы;

— химические соединения.

Раствором называется твердая или жидкая гомоген­ная (однородная) система, состоящая из двух или более компонентов, относительные количества которых могут изменяться в широких пределах.

Жидкие растворы. Большинство металлов растворя­ются друг в друге в жидком состоянии неограниченно (в любых соотношениях). При этом образуется однород­ный жидкий раствор, в котором атомы растворимого металла равномерно распределены среди атомов метал­ла-растворителя.

Твердые растворы. В твердом растворе металл-раство­ритель сохраняет свою кристаллическую решетку, а ра­створимый элемент (металл или неметалл) распределя­ется в ней в виде отдельных атомов. Твердые растворы бывают двух типов:

— твердые растворы замещения

— твердые растворы внедрения.

В твердых растворах замещениячасть ато­мов кристаллической решетки металла-растворителя замещена атомами другого компонента. Атомы раство­ренного компонента могут замещать атомы растворите­ля в любых узлах решетки.

В твердых растворах внедрения атомы рас­творенного компонента внедряются в межатомное про­странство кристаллической решетки компонента-рас­творителя. При этом атомы располагаются в таких пустотах, где для них имеется больше свободного про­странства.

Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

При образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается, так как атомы растворите­ля и растворенного компонента различны. Искажение кристаллической решетки обусловливает изменение свойств сплавов по сравнению со свойствами исходных компонентов. Образование твердых растворов в сплавах приводит к увеличению их электрического сопротивле­ния, снижает пластичность и вязкость.

Химические соединения. Химические соединения и родственные им фазы постоянного состава в металли­ческих сплавах многообразны. Они имеют характерные особенности, отличающие их от твердых растворов:

— их кристаллическая решетка отличается от крис­таллических решеток компонентов, образующих соединение;

— соотношение элементов в них кратно целым чис­лам;

— их свойства отличны от свойств образующих эле­ментов;

— они плавятся при постоянной температуре;

— их образование сопровождается значительным тепловым эффектом.

3. Основные свойства металлов и сплавов.

В зависимости от назначения изделий металлы и сплавы должны обладать определенными свойствами, которые разделяются на четыре группы: физические, химические, механические и технологические.

Физические и химические свойства.

К физическим свойствам металлов и сплавов отно­сятся:

— плотность — количество вещества, содержащего­ся в единице объема, г/см³;

— температура плавления, °С — температура, при которой металл полностью переходит из твердого состояния в жидкое;

— теплопроводность (кал/см.мин.град) — это способ­ность тел передавать с той или иной скоростью тепло при нагревании и охлаждении. Единицей измерения теплопроводности служит количество тепла, распространяющегося по единице длины металла через единицу площади его поперечного сечения в единицу времени;

— тепловое расширение — металлы расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Изме­нение линейного размера при нагреве называют линейным расширением; изменение объема тела — объемным расширением;

— удельная теплоемкость — это количество тепла, которое необходимо для повышения температуры 1 г вещества на ГС;

— электропроводность — способность металлов проводить электрический ток. Под удельным элек­трическим сопротивлением ρ понимают сопротив­ление проводника длиной 1 м и площадью попе­речного сечения 1 мм²;

— способность намагничиваться — это способность металла создавать собственное магнитное поле либо самостоятельно, либо под действием внеш­него магнитного поля.

Химические свойства — это свойства металлов и спла­вов, определяющие отношение их к химическим воздей­ствиям различных сред.

Химические воздействия среды проявляются в раз­личных формах: металлы подвергаются атмосферной коррозии; при нагреве в закалочных печах без защитной атмосферы поверхность изделий покрывается окалиной; в кислотах металлы растворяются. Поэтому для практи­ческого использования металлов и сплавов необходимо знать их химические свойства.

Например, металлы и сплавы, стойкие против окис­ления при сильном нагреве (жаростойкие, окалиностойкие) применяются для изготовления различных сильно нагревающихся деталей автомобилей (выпускные кол­лекторы, глушители).

Деформация и разрушение.

Изменение формы твердого тела под действием при­ложенных к нему внешних сил (нагрузок) называется деформацией.

По характеру действия нагрузки делятся на:

— статические, возрастающие медленно от нуля до некоторого максимального значения и далее оста­ющиеся постоянными или меняющимися незна­чительно;

— динамические, возникающие в результате удара, когда действие нагрузки исчисляется долями се­кунды.

Различают следующие основные виды деформации: сжатие, растяжение, кручение, сдвиг (срез), изгиб (рис. 3).

Рисунок 2. Основные виды деформации.

Сжатие — это деформация, характеризуемая умень­шением объема тела под действием сдавливающих его сил. Сжатию подвергаются строительные колонны, фун­даменты машин, амортизационные подушки и др.

Растяжение — это деформация, характеризуемая увели­чением длины тела, когда к обоим его концам приложе­ны силы, равнодействующие которых направлены вдоль оси тела. Растяжению подвергаются тросы грузоподъем­ных машин, крепежные детали, приводные ремни и др.

Кручение — это деформация тела с одним закреплен­ным концом под действием пары равных, противоположно направленных сил, плоскость которых перпенди­кулярна к оси тела (например, валы двигателей, коро­бок передач и др.).

Сдвиг (срез) — когда две силы направлены друг другу навстречу и лежат не на одной прямой, но достаточно близко друг к другу, то при определенной величине сил происходит срез. На срез работают заклепки, стяжные болты и др.

Деформация, предшествующае срезу, называется сдвигом. При сдвиге соседние сечения детали смещаются одно относительно другого, оставаясь параллельными и без разрушения изделия.

Изгиб — это деформация тела под действием вне­шних сил, сопровождающаяся изменением кривизны деформируемого тела. Изгибу подвержены балки грузо­подъемных механизмов, валы машин, рессоры и др.

Механические свойства.

Основными характеристиками механических свойств металлов являются: прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость.

Прочность металла или сплава — это его способность сопротивляться разрушению под действием внешних сил (нагрузок). В зависимости от характера действия этих сил различают прочность на растяжение, сжатие, изгиб и кручение, а также усталость металлов.

Для испытания на растяжение из металла или спла­ва изготовляют образцы, форма и размеры которых ус­тановлены ГОСТом.

Испытание производится на разрывных машинах (рис. 4). В верхний и нижний захваты закрепляют голов­ки, образца. Верхний захват закреплен неподвижно, а нижний — с помощью специального механизма медлен­но опускается, растягивая образец до его разрыва. Раз­виваемое машиной усилие достигает 50 т.

При испытании на растяжение показатели прочнос­ти могут быть получены из диаграммы растяжения, ко­торая автоматически вычерчивается на барабане разрыв­ной машины. Эта диаграмма характеризует поведение материала при разных нагрузках. По горизонтальной линии диаграммы откладывается абсолютное удлинение образца в миллиметрах, а по вертикальной линии — нагрузка в килограммах.

Наибольшая нагрузка Р_в, когда образец металла на­чинает сужаться (образуется шейка), называется нагрузкой предела прочности при растяжении, а напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, называется пре­делом прочности при растяжении — σ_в.

Рисунок 3. Разрывная машина:

1– шкала самописца, 2 – станина, 3 – образец, 4 – верхний и нижний захваты.

Пластичность — это способность металла, не разру­шаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохра­нять измененную форму после снятия нагрузки.

Пластичность металлов определяется также при ис­пытании на растяжение. По величине удлинения образ­ца и величине уменьшения его поперечного сечения судят о пластичности материала. Чем больше удлиняет­ся образец, тем более пластичен металл. Пластичные металлы и сплавы хорошо подвергаются обработке дав­лением.

Характеристикой пластичности металлов является относительное удлинение и относительное сужение.

Относительным удлинением δ называется отношение величины приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине, выраженное в процентах.

Относительное сужение ψ — отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после испытания к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженное в процентах.

Ударная вязкость — это способность металлов и спла­вов оказывать сопротивление действию ударных нагру­зок.

Для испытания материала на ударную вязкость из­готовляют стандартные образцы с надрезом в виде брус­ков с квадратным сечением и определенных размеров. Испытания проводят на специальном устройстве — ма­ятниковый копер. Маятник с закрепленным грузом, массой 10, 15 и 30 кг поднимают на определенную вы­соту и закрепляют в этом положении защелкой. После освобождения маятник падает и производит удар по образцу со стороны, противоположной надрезу.

Разрушение образцов имеет различный характер. У хрупких металлов образцы разрушаются без изменения формы, у вязких металлов они подвергаются значитель­ному изгибу в месте излома.

Ударная вязкость является важной характеристикой материала деталей, которые в процессе работы того или иного механизма испытывают кратковременную удар­ную нагрузку (например, коленчатые валы двигателей, валы и шестерни коробок передач, полуоси колес и др.). Вязкость — свойство, противоположное хрупкости.

Твердость — это свойство металла оказывать сопро­тивление проникновению в него другого, более твердо­го тела, не получающего остаточных деформаций.

Твердость тесно связана с такими важными характе­ристиками металлов и сплавов, как прочность, износо­устойчивость.

Есть несколько методов определения твердости (рис. 4), наиболее широкое распространение получи­ли следующие:

— вдавливание шарика из твердой стали (метод Бри­нелля);

— вдавливание вершины алмазного конуса или стального шарика (метод Роквелла);

вдавливание вершины алмазной пирамиды (метод Виккерса).

a — Бринелля; б — Роквелла; в — Виккерса

Рисунок 4. Определение твердости металлов методами:

Твердость по Бринеллю обозначается буквами НВ и определяется как отношение нагрузки Р (кг), приходя­щейся на 1 мм² сферической поверхности отпечатка F.

Метод Роквелла отличается от метода Бринелля тем, что измеряется не диаметр отпечатка (лунки), а его глу­бина. Чем больше глубина вдавливания, тем меньше твердость испытуемого образца.

Усталость металлов — это явление их разрушения при многократном нагружении.

Повторение нагрузок значительно уменьшает проч­ность металлов и сплавов. В технике для характеристи­ки усталости металлов принято понятие выносливость — это то наибольшее напряжение, которое выдерживает металл, не разрушаясь после заданного числа перемен­ных нагрузок (циклов).

Причиной разрушения металлов от усталости явля­ется охрупчивание, которое объясняется появлением в ослабленных местах металла постепенно увеличиваю­щихся микротрещин.

Усталостному разрушению под действием часто по­вторяющихся переменных нагрузок подвержены шату­ны двигателей, коленчатые валы, поршневые пальцы, поршни и др.

Технологические и эксплуатационные свойства.

Под технологическими свойствами понимают способ­ность подвергаться различным видам обработки.

Из технологических свойств наибольшее значение имеют обрабатываемость резанием, свариваемость, ков­кость, прокаливаемость и литейные свойства.

Обрабатываемость резанием — комплексное свойство металла, характеризующее способность его подвергать­ся обработке резанием, и определяется по скорости, уси­лию резания и по чистоте обработки, путем сравнения полученных при обработке данного металла, с показа­телями обрабатываемости эталонной марки стали (авто­матная сталь марки А12),

Свариваемость — способность металла давать добро­качественное соединение при сварке, характеризуется отсутствием трещин и других дефектов в швах и приле­гающих к шву зонах основного металла. Хорошей сва­риваемостью обладают конструкционные стали; значи­тельно худшую имеют чугуны, медные и алюминиевые сплавы, которые требуют специальных технологических условий при сварке.

Ковкость — способность металлов и сплавов без раз­рушения изменять свою форму при обработке давлени­ем. Многие металлы и сплавы обладают достаточно хо­рошей ковкостью в нагретом состоянии, а в холодном состоянии — латунь и алюминиевые сплавы; понижен­ной ковкостью характеризуется бронза.

Прокаливаемость — способность стали воспринимать закалку на определенную глубину от поверхности. Она зависит от присутствия легирующих элементов в соста­ве и размеров зерен структуры.

Литейные свойства металлов и сплавов характеризу­ются жидкотекучестью и усадкой.

Жидкотекучесть — способность металла или сплава в расплавленном состоянии заполнять литейную форму. Для повышения жидкотекучести к ним добавляют леги­рующие компоненты, например, фосфор — в медные сплавы и чугун, кремний — в алюминиевые сплавы.

Усадкой называется уменьшение объема расплавлен­ного металла или сплава при его затвердевании. На сте­пень усадки влияют многие факторы: химический со­став расплава, скорость охлаждения и др.

Эксплуатационные свойства определяются в зависи­мости от условий работы машин и механизмов специ­альными испытаниями. Одним из важнейших эксплуа­тационных свойств является износостойкость.

Износостойкость — свойство материала оказывать сопротивление износу, т. е. изменению размеров и фор­мы вследствие разрушения поверхностного слоя изделия при трении. Испытания материалов на износ производят на образцах в лабораторных условиях, а деталей — в ус­ловиях реальной эксплуатации.

К эксплуатационным свойствам также относятся хладностойкость, жаропрочность, антифрикционность и другие.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назовите основные свойства металлов;

2. Что называется сплавом?

3. Какие существуют виды деформации металлов?;

4. Что называется технологическими свойствами материалов?